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      模擬電路層級(jí)模型軌跡圖故障診斷方法*

      2013-08-10 09:04:16吳忠德孫偉超文天柱
      艦船電子工程 2013年8期
      關(guān)鍵詞:特征參數(shù)層級(jí)元件

      吳忠德 孫偉超 文天柱

      (海軍航空工程學(xué)院 煙臺(tái) 264001)

      1 引言

      我國(guó)模擬電路故障研究主要是測(cè)后模擬故障診斷中的故障字典法[1],傳統(tǒng)的故障字典法只適用于小規(guī)模電路的硬故障診斷。雖然我國(guó)學(xué)者對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波理論、模糊數(shù)學(xué)等故障診斷方法研究比較多,但實(shí)際應(yīng)用比較少,表現(xiàn)在我國(guó)故障診斷軟件等工具非常少。

      國(guó)外模擬電路故障診斷研究已經(jīng)呈現(xiàn)一些分支,其中主要包括:電路模型的建立,測(cè)試向量的生成,符號(hào)(symbol)診斷方法[2~3],層級(jí)(hierarchical)診斷方法[4],靈敏度(sensitivity)診 斷 方 法[5],模 糊 集 (ambiguity group)處理[6~7],故障歸類(fault cluster)方法[8],故障字典的優(yōu)化和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法[9]等。本文將對(duì)基于靈敏度的模擬電路層級(jí)模型軌跡圖故障診斷方法進(jìn)行研究。

      2 電路層級(jí)模型

      層級(jí)模型是根據(jù)電路結(jié)構(gòu)和功能對(duì)電路不斷進(jìn)行模塊劃分,直至電路最底層的分立元件級(jí),軌跡圖是電路特征與電路元件(包括分立元件和子系統(tǒng))的數(shù)值對(duì)應(yīng)曲線。將電路參數(shù)故障模式與電路層級(jí)模型結(jié)合,就構(gòu)成電路故障層級(jí)模型。

      設(shè)某系統(tǒng)層級(jí)模型如圖1所示,其中MN為對(duì)應(yīng)模塊名稱,如濾波電路、放大電路,Mi,i=0,1,…,N 為模塊標(biāo)號(hào),Ei,i=0,1,…,N 為模塊對(duì)應(yīng)的特征參數(shù)集合,即Ei={spec(i,1),spec(i,2),…,spec(i,k)},其中k值與對(duì)應(yīng)模塊有關(guān)。L表示了系統(tǒng)最深的層數(shù)。

      由圖1可知,故障層級(jí)模型中某模塊的特征參數(shù)集合元件只與其各級(jí)子模塊參數(shù)有關(guān),因此模型仿真中可以通過(guò)自下而上進(jìn)行仿真,獲得上一層模塊特征參數(shù)與其子模塊或底層電路元件的故障特征傳遞關(guān)系。故障診斷階段則是采用自上而下方法定位故障元件或模塊。在以下表述中,將電路分立元件和層級(jí)模塊統(tǒng)稱為電路元件。

      圖1 電路故障層級(jí)模型

      3 故障模型仿真

      3.1 軟硬故障的層級(jí)模型

      確定電路軟硬故障的層級(jí)模型,最主要是確定電路底層元件的故障模型,其它階層的特征參數(shù)則可以由底層元件求出。底層元件正常值取值范圍顯然為

      其中x0為元件標(biāo)稱值,tol(x0)為元件容差值。當(dāng)元件取值在此區(qū)間之外時(shí),定義為元件發(fā)生故障。

      3.2 計(jì)算電路正常和故障狀態(tài)下的層級(jí)模塊特征值

      對(duì)所有模擬電路,當(dāng)電路元件取值接近短路和開(kāi)路區(qū)間時(shí),此時(shí)元件值的變化對(duì)電路特征參數(shù)的影響幾乎保持不變,考慮到這一點(diǎn)將可大大簡(jiǎn)化故障仿真時(shí)間。仿真時(shí)如果元件取值遠(yuǎn)小于或者遠(yuǎn)大于標(biāo)稱值(一般取數(shù)十倍即可),隨機(jī)或者選定兩仿真點(diǎn),如果計(jì)算出的特征參數(shù)值幾乎不變化,則可判定元件取值更小或更大時(shí)將對(duì)特征參數(shù)無(wú)影響,軌跡圖中邊界部分將是平行于橫軸的直線。

      當(dāng)仿真元件取其它部分值時(shí),采用分段線性化方法進(jìn)行仿真。選定兩端點(diǎn)值,如{5x0,10x0},根據(jù)計(jì)算的特征參數(shù)值對(duì)此區(qū)間線性化表示,然后取此區(qū)間元件值的中點(diǎn),如7.5x0,在此點(diǎn)對(duì)電路進(jìn)行仿真,如果仿真出的特征參數(shù)值與線性化計(jì)算出的對(duì)應(yīng)值相對(duì)誤差小于ε(ε為預(yù)定值),則可認(rèn)為此區(qū)間線性化結(jié)束,否則以中值點(diǎn)為新端點(diǎn),再組成區(qū)間進(jìn)行線性化,這樣重復(fù)進(jìn)行直至線性化誤差達(dá)到要求。

      3.3 計(jì)算電路正常和故障狀態(tài)下的層級(jí)模塊特征參數(shù)容差

      特征參數(shù)的容差可定義為與之有關(guān)的電路元件處于容差范圍而計(jì)算出的可接受的特征參數(shù)范圍。文獻(xiàn)[4]中計(jì)算特征參數(shù)容差采用“容差邊帶法”(tolerance bands),這種方法雖然準(zhǔn)確,但是會(huì)造成仿真時(shí)間的劇增,因?yàn)樗髮?duì)每個(gè)采樣點(diǎn)都必須對(duì)電路中其它各容差元件仿真兩次,然后再對(duì)所有容差邊界進(jìn)行累加求極大極小值,這種算法不適合大規(guī)模電路的計(jì)算。本節(jié)采用由靈敏度定義演化出的特征參數(shù)容差計(jì)算方法[10],這種方法簡(jiǎn)單有效,只要知道電路各參數(shù)靈敏度,則計(jì)算層級(jí)容差不占用電路仿真時(shí)間,即通過(guò)故障時(shí)的特征參數(shù)值可以直接確定故障特征參數(shù)的容差。

      由靈敏度表達(dá)式:SxT=xT0·ddT x (2)

      可推出正常電路所有容差元件對(duì)電路特征參數(shù)造成的容差偏移:

      則特征參數(shù)容差上下界為

      當(dāng)某元件取某一故障值時(shí),由于其它元件的容差,對(duì)應(yīng)的故障特征參數(shù)也有一取值范圍,在復(fù)雜電路中,假定單個(gè)元件值的變化對(duì)特征參數(shù)關(guān)于其它元件的靈敏度沒(méi)有影響,或者影響很小,即

      這種情況下由式(4)可計(jì)算出元件xi故障、其它元件正常(值位于容差區(qū)間)電路特征參數(shù)的上下界:

      其中Tj為元件xi故障、其它元件取標(biāo)稱值情況下的特征值,Δxk全為正值時(shí)ΔTj為故障特征參數(shù)上界,Δxk全為負(fù)值時(shí)ΔTj為故障特征參數(shù)下界,這樣式(6)等號(hào)右側(cè)項(xiàng)成為與電路標(biāo)稱值有關(guān)的常數(shù),一旦仿真得到Tj數(shù)值,可以很方便地計(jì)算出其容差影響上下界。

      4 軌跡圖故障診斷方法

      對(duì)電路建立故障層級(jí)模型并仿真結(jié)束、得到各層級(jí)模塊故障軌跡圖后,就可根據(jù)軌跡圖對(duì)電路進(jìn)行故障診斷。在同一層級(jí)上,由于各模塊互相獨(dú)立,測(cè)后特征向量如果對(duì)應(yīng)這些層級(jí)的模塊,則該方法還可以診斷多故障,即實(shí)際中通過(guò)分層測(cè)試可以診斷出多故障,因此本方法實(shí)用性較強(qiáng),適用于線性和非線性電路。但對(duì)于非線性電路卻不能用上述方法求故障特征參數(shù)上下界,可以采用蒙特卡羅方法。本方法有兩種構(gòu)造故障字典方法:

      1)圖形方法

      對(duì)于小規(guī)模電路,可以直接將各階層模塊故障特征軌跡曲線用圖形方法表示,這種表示方法直觀簡(jiǎn)潔,診斷故障時(shí)也非常方便,直接將測(cè)后特征向量與各軌跡圖匹配,逐層定位故障元件或最小可更換單元(LRU)即可。

      2)數(shù)據(jù)庫(kù)方法

      當(dāng)電路規(guī)模很大時(shí),使用圖形方法保存軌跡曲線不方便,需要結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)等保存軌跡曲線,故障仿真時(shí)采用分段線性化,則數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)模大大減小,診斷效果卻不受影響。測(cè)后診斷過(guò)程中,采用簡(jiǎn)單的搜索和計(jì)算方法即可確定故障元件或者模糊集,然后通過(guò)逐層診斷再對(duì)模糊集內(nèi)元件逐個(gè)篩選。

      設(shè)電路有N個(gè)層級(jí)模塊,各模塊的特征參數(shù)有K個(gè),K 與具體模塊有關(guān),K=K(i),i=1,2,…,N ,電路分立元件(RLC元件,晶體管等)數(shù)目為M,一個(gè)特征參數(shù)對(duì)分立元件故障軌跡圖點(diǎn)數(shù)為Nx,Nx與具體模塊、特征參數(shù)和電路元件有關(guān),則層級(jí)模型最大仿真次數(shù)為

      但實(shí)際構(gòu)造故障層級(jí)模型并不一定全部仿真,只要能定位出故障元件即可。

      5 應(yīng)用舉例

      圖2所示電路為濾波放大電路,各元件標(biāo)稱值如圖所示,元件容差為±5%,試用層級(jí)模型方法對(duì)該電路進(jìn)行故障診斷。

      圖2 濾波放大器電路

      分析:為方便起見(jiàn)圖中放大器視為理想放大器,因此電路需要仿真的故障元件為RC元件。主要任務(wù)是建立層級(jí)模型、計(jì)算各層級(jí)特征參數(shù)與故障元件的對(duì)應(yīng)曲線。

      步驟一:建立層級(jí)模型。

      如圖2所示,根據(jù)電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)將電路分為三部分,進(jìn)而建立電路的層級(jí)模型,如圖3所示。

      圖3 建立的電路層級(jí)模型

      該電路一共可分為三層,除底層外,其余各層特征參數(shù)集合Ei,i=0,1,2,3分別為

      E0={低通截止頻率fHC,高通截止頻率fLC,頻率采樣點(diǎn)下電路輸出電壓增益};

      E1={模塊輸出電壓增益};

      E2={高通截止頻率fLC,頻率采樣點(diǎn)下模塊輸出電壓增益};

      E3={低通截止頻率fHC,模塊輸出電壓直流增益,頻率采樣點(diǎn)下模塊輸出電壓交流增益}。

      集合中的這些特征參數(shù)只與選定的模塊相關(guān),而與其它模塊無(wú)關(guān),因此可以避免模擬電路故障的前后級(jí)影響,可以診斷多故障。根據(jù)實(shí)際情況,可以選取適當(dāng)頻率采樣點(diǎn),這些頻率采樣點(diǎn)下特征參數(shù)要能突出曲線關(guān)系的差異性。如可以在3dB帶寬內(nèi)取一采樣點(diǎn),在上下截止頻率附近取一采樣點(diǎn),為了提高診斷效果還可以在截止頻率外取幾個(gè)采樣點(diǎn)。在本例中為簡(jiǎn)單起見(jiàn)僅取f=100Hz作為采樣點(diǎn)。

      根據(jù)各模塊特征參數(shù)可以確定是否能夠定位故障元件,在本例中,R1、R2兩元件構(gòu)成模糊集,為了定位故障可以將一電容與R2并聯(lián),模塊一構(gòu)成低通電路,通過(guò)測(cè)量截止頻率可以定位故障。其它故障元件可以唯一定位。

      步驟二:選定故障仿真元件,根據(jù)元件容差,對(duì)正常值元件電路進(jìn)行仿真。

      選定電路RC元件作為故障仿真元件,根據(jù)靈敏度可以計(jì)算出電路輸出電壓的容差,利用Pspice軟件等可以很方便仿真出電路特征輸出。如圖4所示。

      圖4 Pspice軟件仿真出的電路特征輸出

      步驟三:確定故障模式,對(duì)電路進(jìn)行層級(jí)仿真分析,分析容差效應(yīng)。

      本步驟的任務(wù)是仿真計(jì)算各元件故障下的對(duì)應(yīng)各上層模塊的特征參數(shù)及其容差,此處給出R3故障模式下(頻率點(diǎn)為100Hz)對(duì)應(yīng)層級(jí)特征參數(shù)軌跡圖。

      圖5 R3故障模式下對(duì)應(yīng)層級(jí)特征參數(shù)軌跡圖

      圖形診斷方法雖然方便直觀,但誤差較大,實(shí)際應(yīng)用中采用數(shù)據(jù)計(jì)算方法較好,由圖5可以看出,如果R3發(fā)生故障,則根據(jù)M0、M1模塊特征參數(shù)可以很方便地隔離出故障元件R3。

      由于同一層各模塊及其特征參數(shù)相互獨(dú)立,這種方法也可以方便地對(duì)多故障進(jìn)行診斷。

      [1]楊士元,童詩(shī)白.模擬系統(tǒng)的故障診斷與可靠性設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

      [2]Giulio Fedi,et al,A New Symbolic Method for Analog Circuit Testability Evaluation[J].IEEE Trans.on Instrumentation and Measurement,1998,47(2).

      [3]Huiying Yang,et al,Efficient Symbolic Sensitivity Analysis of Analog Circuits using ElementCofficient Diagrams[C]//IEEE/ACM AsiaSouth Pacific Design Automation Conference(ASPDAC'05),Jan 2005,Shanghai,China.

      [4]R.Voorakaranam,et al,Hierarchical SpecificationDriven Analog Fault Modeling for Efficient Fault Simulation and Diagnosis[J].International Test Conference,1997:903912.

      [5]Cesare Alippi,SBT Soft Fault Diagnosis in Analog Electronic Circuits:A SensitivityBased Approach by Randomized Algorithms[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2002,51(5):11161125.

      [6]Damian Grzechca and Jerzy Rutkowski,Analog Fault Dictionary-Fuzzy Set Approach[C]// ECCTD’01European Conference on Circuit Theory and Design,Espoo,F(xiàn)inland,2001:I249I252.

      [7]Damian Grzechca and Jerzy Rutkowski,Adaptive Algorithm for Analog Fault Based on a Sensitivity Matrix and the Fuzzy Set Theory[C]//Electronics,Circuits and Systems,9th International Conference,2002:649652.

      [8]Shyam S.Somayajula,et al,Analog Fault Diagnosis:A Fault Clustering Approach[C]//Proceedings of ETC 93,pp 108115.

      [9]Sudip Chakrabarti and Abhijit Chatterjee,Compact Fault Dictionary Construction for Efficient Isolation of Faults in Analog and MixedSignal Circuits[J].ARVLSI 1999:327341.

      [10]張偉,許愛(ài)強(qiáng),陳振林.模擬電路節(jié)點(diǎn)電壓靈敏度權(quán)序列故障字典法[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào),2006(4).

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